ФАКТОРЫ МАГМАТИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ.

Лекции по курсу

Основы физико-химической петрологии изверженных пород

ВВЕДЕНИЕ

Задачи и методы петрологии

Петрология — это геологическая наука, всесторонне изучающая горные породы. Горные породы представляют собой геологические тела, сложенные минеральными агрегатами определенного химического состава и имеющими свои структурно-текстурные особенности. По своему происхождению горные породы подразделяются на магматические (изверженные), метаморфические и осадочные. Настоящий курс преследует цель в самом общем плане ознакомить с физико-химическими основами происхождения изверженных горных пород. Магматические породы, образовавшиеся в глубинах Земли, называются глубинными или интрузивными; разновидности, сформировавшиеся на земной поверхности или на дне водных бассейнов, выделяют под названием вулканических пород или вулканитов. К ним относятся эффузивы, представляющие собой излившиеся в жидком состоянии лавы, выдавленные из кратеров вулканов вязкие породы (собственно экструзивные разновидности) и выброшенные в твердом состоянии продукты вулканических извержений, главнейшими представителями которых являются вулканические туфы.

Развитие петрографии, или петрологии, как можно назвать ее на современном уровне знаний, шло различными путями, соответственно которым вырабатывались различные методы исследований. К ним относятся:

1) Геологическое изучение горных пород в полевых условиях. К геологическим методам относятся наряду с макроскопической характеристикой горных пород изучение форм залегания и внутренней структуры массивов (структурный и микроструктурный анализ), определение возраста, взаимоотношений с вмещающими породами, контактовых воздействий, процессов вторичных изменений. Геологические методы – это та основа, на которой базируются все остальные исследования.

2) Лабораторное изучение горных пород. Лабораторные методы петрографии весьма многочисленны и разнообразны; многие из них являются общими с приемами исследования, использующимися в минералогии и других смежных дисциплинах. Наиболее распространенные методы петрографических исследований - это микроскопическое и химическое изучение горных пород. К лабораторным методам изучения также относятся и многие физические методы - рентгеноструктурный, спектральный, термический анализ, различные геохронологические методы, изучение ядерного резонанса. Большой интерес представляют масс-спектрометрические определения изотопных отношений элементов, на основании которых делаются выводы о типе геологических процессов и генезисе пород [Виноградов, Кропотова, 1967; Мурбат, 1967].

3) Экспериментальное изучение горных пород. Особенно важное значение имеют экспериментальные работы по изучению силикатных систем, близких по составу к горным породам. В настоящее время с помощью совершенной лабораторной техники можно получать точные результаты по плавлению и кристаллизации пород при давлениях до 150 кбар и более и температурах до 2000°С, что соответствует условиям, существующим в верхней мантии. Кроме того, проводятся эксперименты, оценивающие влияние парциального давления воды, кислорода, углекислоты на процессы кристаллизации разнообразных силикатных расплавов, кинетики протекания химических реакций минералообразования, перераспределение вещества в процессах кристаллизации горных пород и многое другое. Т.е. эксперимент позволил понять и вскрыть многие процессы петрогенезиса, касающиеся кристаллизации минералов и горных пород, закономерностей дифференциации, влияния летучих компонентов и др. Являясь аналитическим методом, эксперимент представляет большую ценность еще и потому, что он часто служит строгим критерием правильности тех или иных научных представлений и теорий.

4) Теоретические обобщения, а также рабочие гипотезы являются необходимым звеном в познании происхождения горных пород и должны базироваться на фактурном материале перечисленных выше методов исследований.

Все эти методы, в той или иной мере, используют физико-химические построения. А фундаментальным законам физики и химии подчиняется формирование всех без исключения горных пород. Все указанные методы являются необходимыми для всесторонних петрогенетических выводов, а знание физико-химических законов и умение приложить их к процессам петрогенезиса крайне необходимо для понимания происхождения горных пород.

Задачей настоящего курса является ознакомление с результатами исследований происхождения изверженных горных пород, решаемых петрографией с использованием методов физической химии.

Физико-химический анализ гетерогенных систем с участием твердой фазы применительно к различным системам был разработан в основополагающих трудах Дж.Гиббса и Ф.Масье в 60-70 годах XIX века.

Первые работы по применению физико-химического анализа в петрологии принадлежат Н.Фогту. Ф.Бекке и В.Гольдшмидту. Фогт в 1903-04 годах впервые рассмотрел образование интрузивных пород с позиций эвтектической кристаллизации расплавов. Бекке в 1913 г и Гольдшмидт в 1911-12 годах осуществили первые попытки физико-химической интерпретации условий образования метаморфических пород. В нашей стране для формирования физико-химического направления большое значение имели работы Е.С.Федорова и Н.С.Курнакова. Федорову принадлежит одна из первых работ по графическому изображению минералов, Курнаков является родоначальником физико-химического анализа - самостоятельного раздела физической химии, изучающего зависимость различных свойств систем от их состава и параметров состояния путем применения различных физических методов и графического выявления зависимостей. Труды Курнакова и его учеников издавались в период с 1898 по 1916 годы.

В 1904 году появилась работа Б.Розебома, посвященная теоретическим исследованиям диаграмм состояния. Боуэн и его школа положили начало экспериментальному направлению в петрологии. Работа проводились в геофизической лаборатории в Вашингтоне. Основным достижением Боуэна и его школы была разработка физико-химической модели кристаллизации магмы, которая широко известна как "реакционный ряд" Боуэна. Эта работа опубликована в 1928 году.

Крупным событием явилась книга П.Ниггли вышедшая в 1920 году "Магма и ее продукты". В ней впервые в петрологической литературе обстоятельно изложена теория силикатных систем с летучими компонентами.

В 1926 году А.Н.Заварицким была издана книга «Физико-химические основы петрографии изверженных пород». Это было первое систематическое издание в этой области в мировой литературе.

В это же время П.Эскола (1920) и С.Тилли (1923) разработали концепцию метаморфических фаций. Усилиями этих исследователей внедряется способ графического представления минеральных ассоциаций метаморфических пород.

Такова очень кратко история физико-химического направления до середины 30-x годов прошлого века. Здесь следует отметить, что в 1930-1940х годах, когда объем петрографических и минералогических работ значительно возрос, наметился определенный кризис физико-химического направления. Кризис выражался в том, что выдвинутые первые физико-химические схемы процессов и пути приложения физико-химических методов пришли в противоречие с обширным геологическим материалом. Так было с "реакционным принципом Боуэна". Оказалось, что последовательность кристаллизации многих магматических пород отличается от схемы Боуэна. Также было с попытками приложения к анализу метаморфических ассоциаций "правила фаз Гольдшмидта". Выяснилось, что большинство метаморфических пород не соответствует этому правилу.

Всe это породило скепсис и неверие в возможности успешного применения физико-химических методов в геологии. Главная причина кризиса состояла в том, что для физико-химического истолкования природных процессов исследователи привлекали уже сложившийся готовый аппарат физической химии и термодинамики. Природные же процессы настолько сложны, что простое перенесение физико-химических методов и понятий, полученных на основании опыта применения в теплотехнике, в химической технологии оказалось явно недостаточным.

Выход из кризиса состоял в том, чтобы вскрыть основные физико-химические закономерности природных процессов и найти общие методы исследования, в преодолении этого рубежа решающую роль сыграли работы Д.С.Коржинского. Три крупные, коренные теоретические проблемы были выдвинуты и разработаны Д.С.Коржинским в 40-50 годах XX века. Эти проблемы следующие: I) принцип дифференциальной подвижности компонентов и термодинамическая теория природных систем; 2) теория метасоматической зональности; 3) режим кислотности-основности эндогенных процессов. При решении этих проблем были разработан метод теоретического физико-химического моделирования природных процессов. Приведенные исследования по этому методу положили начало новой отрасли знания - физической химии процессов образования горных пород и руд. Они послужили толчком бурному развитию физико-химического направления в геологии.

Наиболее яркими продолжателями Д.С.Коржинского были и остаются академики В.С.Соболев, В.А.Жариков, А.А.Маракушев.

В настоящее время в России исследования в области физической химии ведутся в нескольких направлениях. Главные из них: а) термодинамика природных систем и пути приложения термодинамических методов; б) физико-химический анализ парагенезисов, его теория и парагенетический анализ различна магматических, метаморфических и метасоматических пород; в) проблема сосуществующих минералов, как индикаторов условий образования минеральных ассоциаций; г) кислотно-основные свойства гидротермальных растворов и возможные формы переноса компонентов; д) теория метасоматической зональности, анализ условий и механизма образования различных метасоматических пород; е) экспериментальные исследования.

Активно разрабатываются физико-химические направления в США и Канаде. Среди них выделяются: а) экспериментальные исследования; б) применение термодинамических методов и расчетов; в) исследование возможного состава; свойств, и форм переноса компонентов гидротермальных растворов; г) изучение сосуществующих фаз и парагенетический анализ; д) изучение кинетики реакций минералообразования.

Исследования в других странах в области физико-химических исследований имеют менее систематический характер.

ФАКТОРЫ МАГМАТИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЙ В ЗЕМНОЙ КОРЕ

Рассмотрение состава земной коры в свою очередь приводит нас к изучению проблемы давлений и температуры внутри нее.

В тех участках земной коры, где сила направленного давления имеет ничтожное значение, величина давления в некоторой точке должна равняться весу колонны горных пород, расположенных выше:

Давление Р = dgh, где d - плотность перекрывающих пород; g - ускорение силы тяжести; h - высота колонны, равная мощности перекрывающих пород. Предположим, что d = 3 г/см³, g = 1000 см/с². Тогда давление в дин/см² = 3000, если h в сантиметрах, или давление в атмосферах = 0,3, если h в метрах, или давление в килобарах = 0,3, если h в километрах. (1 бар = 0,99 атм = 1,02 кг/см², в связи с чем при точности большинства геологических вычислений различиями в этих величинах можно пренебречь.)

До каких величин можно пренебрегать направленным давлением и учитывать только гидростатическое? Вблизи поверхности, где гидростатические давления невелики, сколовыми усилиями пренебрегать нельзя. Эти силы имеют очень важное значение, например, для строителей плотин и небоскребов. Однако на глубине направленное давление играет относительно малую роль, поскольку здесь возрастает верхний предел устойчивости горных пород к сколовым напряжениям, тогда как гидростатическое давление может увеличиваться до неопределенно высоких величин. Имея это в виду, мы часто можем допускать, что давление в земной коре попросту обусловлено весом толщи пород, хотя в действительности это приближенное допущение.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР В ЗЕМНОЙ КОРЕ

Оценка температуры в земной коре основывается на доказательствах двух типов. Прежде всего, температура может быть непосредственно измерена в некоторых буровых скважинах. Следует помнить, что температура, установленная в забое буровой скважины, не вполне соответствует ее значению в горной породе до того, как в ней была пробурена скважина. Часто, однако, эти различия незначительны. Второй способ оценки температур в земной коре заключается в измерении величины теплового потока на поверхности и определении теплопроводности горных пород. Допустим, что тепловой поток f составляет 1,5 *10-6 кал/см2*с, а теплопроводность с составит 5 * 10-3 кал/см *с/°С. Тогда термический градиент в точке наблюдения будет равен f /с, 3*10-4 °С на 1 см или 3°С на 100 м. Исходя из этого, легко подсчитать, что температура на глубине 10 км должна быть на 300° выше, чем на земной поверхности.

Важно подчеркнуть, что прямые измерения температуры в буровых скважинах подтверждают температуры, вычисленные при помощи градиента, определенного на поверхности. В общем были определены величины градиента от 0,6 до 15°С на 100 м (Birch, 1942), но наиболее частое значение термического градиента на континентах близко к 3° С на 100 м. Однако оценка температур посредством экстраполяции термического градиента хотя бы до глубины 10 км осложняется двумя важными неясными моментами: 1) какова величина теплопроводности на глубине и 2) какова природа и распределение источников тепла внутри земной коры. В результате радиоактивного распада значительное количество тепла генерируется преимущественно в верхних 10 км земной коры. Это означает, что через уровень 10 км глубины поднимается вверх меньше тепла, чем достигает земной поверхности. Таким образом, термический градиент на глубине 10 км при одинаковой теплопроводности должен быть меньше, чем на земной поверхности. И в действительности теплопроводность горных пород на глубине и на земной поверхности различна. По мере увеличения температуры теплопроводность понижается, а по мере увеличения давления она, вероятно, возрастает. В земной коре, видимо, проявляется гамма сочетаний этих факторов, однако причины этих эффектов остаются неизвестными. Таким образом, мы не можем в настоящее время решить вопрос о температуре на глубине 10 км. Еще менее ясен температурный режим на больших глубинах. Оценки температур поэтому значительно менее точны, чем оценки давлений. Ясно, однако, что в целом должны наблюдаться очень сильные перепады температур. Следует также помнить, что предположение о той или иной температуре для некоторого участка, расположенного под одной точкой земной поверхности, нельзя прямо распространять на другие районы и участки.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ МАГМЫ В ЗЕМНОЙ КОРЕ

Вопросы этого раздела схематически изображены на фиг. 1. Пользуясь этим графиком, следует всегда помнить о тех неясных моментах, которые были упомянуты в двух предыдущих разделах. Пересечение кривых в точке Z означает, что на глубине 20 км должен существовать расплав при соблюдении следующих условий: 1) состав породы отвечает граниту, 2) породы насыщены водой и 3) возрастание температуры происходит по кривой D. Однако если с глубиной состав пород изменяется в сторону базальта, чему соответствуют условия, близкие к кривой С, то плавление произойдет позднее и может не произойти даже до глубины 50 км. В действительности плавления вообще может не быть в связи с только что отмеченной тенденцией к обогащению пород по мере нарастания глубины более тугоплавким материалом.

Однако такого рода предположения выходят за рамки этой главы. Отметим здесь следующее:

Образование гранитных расплавов, вероятно, происходит наиболее интенсивно на глубине от 20 до 30 км, а на более глубоких уровнях состав земной коры неблагоприятен для возникновения расплавов.

Образование базальтовых расплавов в значительных объемах невозможно на глубине менее 40 км.

Плавление в пределах земной коры в целом представляет собой скорее исключение, чем правило.

Все предыдущие замечания относятся к континентальным регионам. Под океанами, где мощность земной коры редко превышает 10 км, плавление внутри коры, видимо, вообще невозможно. Мощные покровы лав Гавайских и соседних с ними вулканических островов, очевидно, генерируются в неизученных областях, ниже раздела Мохоровичича.

Изверженные породы являются главным материалом при формировании земной коры - континентальной и океанической. При этом предполагается, что родоначальный источник один - мантия Земли. Дальнейшая эволюция расплавов связана с кристаллизацией и фракционированием. Кроме этого источника возможно проявление вторичных магматических расплавов за счет мантийного тепла.

Одними из важных механизмов возникновения расплавов является анатексис и палингенез. Анатексис определяется как частичное плавление, а палингенз – полное плавление ранее твердых пород. Содержание этих терминов, особенно термина «палингенез», до сих пор не вполне определенно. В настоящее время большинство петрологов уделяют этим процессам максимальное внимание. Частичное плавление - анатексис определяется как плавление определенных порций твердого вещества, меньших, чем целом. Частичное плавление разделяется на два вида: равновесное и фракционное. При равновесном плавлении расплав постоянно находится в равновесии с кристаллическим остатком. При фракционном плавлении расплав по мере образования удаляется из кристаллической матрицы. Фракционная кристаллизация - процесс удаления из расплава выделяющихся кристаллов. Один из важнейших факторов фракционирования расплавов – гравитационная дифференциация, при которой более плотные минералы осаждаются на дно магматической камеры, а менее плотные, чем расплав могут всплывать в магме.

Как один из видов гравитационной диференциации выделяется гидродинамическая дифференциация - стремление взвешенных частиц концентрироваться в осевых частях магматических потоков.

Выделяющиеся кристаллы часто вступают в реакционные взаимоотношения с расплавом. Боуэн назвал это явление реакционным принципом.

Обычно на ранних стадиях из расплава происходит удаление тугоплавких элементов MgO, Al2O3, CaO при синхроном увеличении содержания кремнезема, щелочей и относительной железистости. Такой тип дифференциации изверженных пород называется гомодромным. Если эта особенность дифференциации не выдерживается, то следует говорить об антидромном ее характере. При подъеме в верхние структурные этажи магмы активно поглощают вмещающие породы. Если вмещающие породы не полностью поглощены магмой, то мы имеем дело с контаминацией. В том случае если магма приобрела гомогенный состав процесс называется ассимиляцией, в этом случае магма полностью расплавляет и усваивает материал боковых пород, оказавшийся в магме в виде ксенолитов. Процессы ассимиляции и контаминации приводят к формированию гибридных пород. Гибридизм (hibrida — помесь) — в петрологии процесс образования гибридных горных пород, для которых очевидно или доказано двоякое (смешанное) происхождение их материальной основы вследствие, например, ассимиляции ранее застывших магматических пород, осадочных пород или смешения двух магм. Термин гибридизм не отражает существа процессов образования гибридных г. п., для которых применяются термины «ассимиляция» и «контаминация». При гибридизме и смешении магм может появляться большое разнообразие пород. Смешение – процесс образования магм при контакте, перемешивании и выравнивании составов двух и более различных магм, например при смешении гранитной и базальтовой магм

Иногда магма распадается на два несмешивающихся расплава. Такой процесс принято называть ликвацией. В результате ликвации из первичной магмы могут образоваться две, различные по составу, магмы. Экспериментально показано, что процесс ликвации, чаще всего обусловлен воздействием на магму некоторых летучих компонентов (F, B, Cl, P2O5.

Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 677; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!